大功率充电连接器冷却系统换热特性研究
发布时间：2021-10-30 07:41
充电焦虑是影响新能源汽车发展和普及的主要原因之一,大功率快速充电技术具有功率高、充电时间短等优点,近年来发展迅猛,已成为国际研究热点之一。当大功率充电连接器处于高电压、大电流时,温升会在短时间内迅速增加引起热安全问题,难以满足长时间连续使用的要求。本文设计了一种适用于大功率充电的冷却系统,理论和实验研究了冷却系统的换热特性,主要内容如下:（1）建立了充电电缆生热的数学模型,仿真得到了加载电流、线芯截面积和电缆长度等参数对充电电缆热损失功率的影响规律,设计了一种能快速散热的冷却系统,对冷却系统的流量和温升进行了理论计算和分析,考虑冷却系统的尺寸、重量两个性能指标,对冷却系统整体布局进行了合理布置。（2）基于热力学方程理论推导了充电电缆的传热模型,并建立带有冷却流道的充电电缆三维仿真模型,仿真研究了不同工况下冷却液流量、入口温度和冷却管结构等参数对充电电缆内部温度场分布的影响规律,结果表明:充电电缆温度随着加载电流的增大而升高,随着冷却液流量和冷却管数量的增加而降低,随着冷却液入口温度的降低而降低,当采用中心冷却的布置方式时,充电电缆最高温度降低约16.4%。（3）建立了带冷却回路的大功率...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
用户期望充电时长分布
江苏大学硕士学位论文1第一章绪论1.1课题背景及意义本课题来源于市产学研预研资金项目和企业横向科研项目(1871110109)：大功率充电连接器冷却系统研发。能源和环境是目前人类面临的最大挑战，目前新能源在全球各国得到广泛利用与研究，发展新能源汽车是推动节能减排的有效举措[1,2]，已经成为我国生态文明建设的必要措施之一。影响新能源汽车发展的两大主要因素是里程焦虑和充电焦虑，随着新材料的研发与电池热管理技术的突破，新能源汽车续航里程逐渐提高，乘用车由最初的短途行驶已经提升到了长途行驶，电动汽车的里程焦虑问题基本解决。而充电焦虑受充电元器件功率、温升过高等问题影响，一直未能有较成熟的解决方案，严重制约着新能源汽车产业的发展。交流充电受车载充电装置功率的限制（通常为3.5kW/7kW），充电效率较低，充电时间长，一般需要6～10小时；直流充电通过充电机整流后为新能源汽车快速充电，充电机功率较大（通常为45～60kW)，充电速度较快[3]，但两种充电方式的充电时间都远超1小时，难以满足消费者对充电时间的需求，如图1.1所示，根据调查72%的用户希望30分钟内汽车电池可以充满80%的电量，因此迫切需要发展大功率快速充电技术。图1.1用户期望充电时长分布Fig.1.1Distributionofconsumer"sexpectedchargingtime图1.2大功率充电技术特点Fig.1.2Characteristicsofhighpowerchargingtechnology
大功率充电连接器冷却系统换热特性研究2目前关于大功率充电技术未有明确的定义，新能源行业普遍认为大功率充电技术的特点是高电压、大电流、输出功率超过350kW，当采用大功率充电技术时，应满足续航里程400km所需充电时间不超过12min，具体参数特点如图1.2所示。根据焦耳定律，可以从电流和电压两方面提升充电连接器的功率。（1）考虑电压方面，假设提升到1000V，国家标准GB/T18487.1-2015是能够覆盖的，但在元器件的耐压、绝缘等方面，需要重新设计；（2）考虑电流方面，当充电系统承载200A以上的高电流时，单位时间内电流的热效应将会成倍增加，充电系统的温升会非常明显，若散热不畅，可能会造成较大的安全事故[4]。为满足充电连接器使用要求，充电过程中温度超过90℃必须采取冷却措施，因此，世界各国都在积极研发更有效的冷却措施。目前，比较成熟的方案是在大功率充电连接器电缆内部采用冷却措施，不仅可以迅速将电缆温度降到70℃以下，而且电缆的重量、粗细程度也有所下降，图1.3为采用冷却措施的充电连接器。图1.3采用冷却措施的充电连接器Fig.1.3Chargingconnectorwithcoolingmeasures1.2液冷技术发展概述1.2.1液冷技术工作原理液冷技术主要是指利用低温液体对高温热源换热的冷却技术。其原理是利用液体与发热元器件进行直接或间接换热从而在流动或者蒸发过程中带走热量从而降低发热元器件温度[5]。根据文献资料[6]，液体的强制对流换热系数和比热容远高于气体，水的强制对流换热系数是空气强制对流换热系数的几十甚至百倍以上，因此采用液体
【参考文献】：
期刊论文
[1]电动汽车大功率充电发展现状及趋势研究[J]. 吴鹏飞,刘宏骏,郝烨. 汽车实用技术. 2020(01)
[2]直接冷却系统与间接冷却系统的对比研究[J]. 马燕,臧润清,闫璟敏. 流体机械. 2019(12)
[3]纯电动乘用车大功率充电技术需求分析[J]. 王伯军,李威,梁士福. 汽车文摘. 2019(06)
[4]电动汽车大功率快充对充电电缆温度的影响[J]. 张维江,曹文炅,曾志坚,胡承彬,蒋方明. 新能源进展. 2019(02)
[5]浅析大功率充电未来发展趋势[J]. 刘洋,卢明,李刚. 汽车实用技术. 2018(14)
[6]ABB加速进军电动车快速充电设施市场[J]. 李忠东. 汽车与配件. 2018(20)
[7]机载电子设备液冷系统的模糊控制研究[J]. 周尧,田沣,张丰华. 机械研究与应用. 2017(05)
[8]中国新能源汽车充电基础设施发展现状与应对策略[J]. 赵世佳,赵福全,郝瀚,刘宗巍. 中国科技论坛. 2017(10)
[9]计及电流波动性的三芯电缆相变控温方法及其性能分析[J]. 郭刚. 河北电力技术. 2016(02)
[10]基于灵敏度法的三芯电缆线芯温度影响因素分析[J]. 王鹏,刘刚. 电线电缆. 2015(04)
博士论文
[1]基于能量转换的防冲击首绳快速更换关键技术研究[D]. 张延军.太原理工大学 2014
[2]50型装载机液压系统动态特性与热平衡研究[D]. 王剑鹏.吉林大学 2011
硕士论文
[1]BMY新能源汽车公司发展战略研究[D]. 韩加泉.山东大学 2017
[2]600匹液压打桩机智能冷却系统的研究[D]. 高海兴.湘潭大学 2017
[3]电动车大功率直流充电系统设计与实现[D]. 韩明.华中科技大学 2017
[4]余杭区塘栖镇10kV线路改造电缆选型研究[D]. 吴凡.华北电力大学(北京) 2017
[5]机载液冷系统仿真研究与管路设计[D]. 陈强.南京航空航天大学 2016
[6]大功率集成电子器件热仿真分析及液冷系统研究[D]. 刘福东.哈尔滨工业大学 2014
[7]电动汽车传导式充电接口关键技术研究[D]. 李志萍.电子科技大学 2014
[8]基于ANSYS的电动汽车车载充电机热分析及优化[D]. 王雄.武汉理工大学 2013
[9]液冷系统中流体流动及换热特性的研究[D]. 刘宁.南京理工大学 2013
[10]小型液冷系统仿真研究[D]. 李国涛.南京航空航天大学 2012
本文编号：3466346
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
用户期望充电时长分布
江苏大学硕士学位论文1第一章绪论1.1课题背景及意义本课题来源于市产学研预研资金项目和企业横向科研项目(1871110109)：大功率充电连接器冷却系统研发。能源和环境是目前人类面临的最大挑战，目前新能源在全球各国得到广泛利用与研究，发展新能源汽车是推动节能减排的有效举措[1,2]，已经成为我国生态文明建设的必要措施之一。影响新能源汽车发展的两大主要因素是里程焦虑和充电焦虑，随着新材料的研发与电池热管理技术的突破，新能源汽车续航里程逐渐提高，乘用车由最初的短途行驶已经提升到了长途行驶，电动汽车的里程焦虑问题基本解决。而充电焦虑受充电元器件功率、温升过高等问题影响，一直未能有较成熟的解决方案，严重制约着新能源汽车产业的发展。交流充电受车载充电装置功率的限制（通常为3.5kW/7kW），充电效率较低，充电时间长，一般需要6～10小时；直流充电通过充电机整流后为新能源汽车快速充电，充电机功率较大（通常为45～60kW)，充电速度较快[3]，但两种充电方式的充电时间都远超1小时，难以满足消费者对充电时间的需求，如图1.1所示，根据调查72%的用户希望30分钟内汽车电池可以充满80%的电量，因此迫切需要发展大功率快速充电技术。图1.1用户期望充电时长分布Fig.1.1Distributionofconsumer"sexpectedchargingtime图1.2大功率充电技术特点Fig.1.2Characteristicsofhighpowerchargingtechnology
大功率充电连接器冷却系统换热特性研究2目前关于大功率充电技术未有明确的定义，新能源行业普遍认为大功率充电技术的特点是高电压、大电流、输出功率超过350kW，当采用大功率充电技术时，应满足续航里程400km所需充电时间不超过12min，具体参数特点如图1.2所示。根据焦耳定律，可以从电流和电压两方面提升充电连接器的功率。（1）考虑电压方面，假设提升到1000V，国家标准GB/T18487.1-2015是能够覆盖的，但在元器件的耐压、绝缘等方面，需要重新设计；（2）考虑电流方面，当充电系统承载200A以上的高电流时，单位时间内电流的热效应将会成倍增加，充电系统的温升会非常明显，若散热不畅，可能会造成较大的安全事故[4]。为满足充电连接器使用要求，充电过程中温度超过90℃必须采取冷却措施，因此，世界各国都在积极研发更有效的冷却措施。目前，比较成熟的方案是在大功率充电连接器电缆内部采用冷却措施，不仅可以迅速将电缆温度降到70℃以下，而且电缆的重量、粗细程度也有所下降，图1.3为采用冷却措施的充电连接器。图1.3采用冷却措施的充电连接器Fig.1.3Chargingconnectorwithcoolingmeasures1.2液冷技术发展概述1.2.1液冷技术工作原理液冷技术主要是指利用低温液体对高温热源换热的冷却技术。其原理是利用液体与发热元器件进行直接或间接换热从而在流动或者蒸发过程中带走热量从而降低发热元器件温度[5]。根据文献资料[6]，液体的强制对流换热系数和比热容远高于气体，水的强制对流换热系数是空气强制对流换热系数的几十甚至百倍以上，因此采用液体
【参考文献】：
期刊论文
[1]电动汽车大功率充电发展现状及趋势研究[J]. 吴鹏飞,刘宏骏,郝烨. 汽车实用技术. 2020(01)
[2]直接冷却系统与间接冷却系统的对比研究[J]. 马燕,臧润清,闫璟敏. 流体机械. 2019(12)
[3]纯电动乘用车大功率充电技术需求分析[J]. 王伯军,李威,梁士福. 汽车文摘. 2019(06)
[4]电动汽车大功率快充对充电电缆温度的影响[J]. 张维江,曹文炅,曾志坚,胡承彬,蒋方明. 新能源进展. 2019(02)
[5]浅析大功率充电未来发展趋势[J]. 刘洋,卢明,李刚. 汽车实用技术. 2018(14)
[6]ABB加速进军电动车快速充电设施市场[J]. 李忠东. 汽车与配件. 2018(20)
[7]机载电子设备液冷系统的模糊控制研究[J]. 周尧,田沣,张丰华. 机械研究与应用. 2017(05)
[8]中国新能源汽车充电基础设施发展现状与应对策略[J]. 赵世佳,赵福全,郝瀚,刘宗巍. 中国科技论坛. 2017(10)
[9]计及电流波动性的三芯电缆相变控温方法及其性能分析[J]. 郭刚. 河北电力技术. 2016(02)
[10]基于灵敏度法的三芯电缆线芯温度影响因素分析[J]. 王鹏,刘刚. 电线电缆. 2015(04)
博士论文
[1]基于能量转换的防冲击首绳快速更换关键技术研究[D]. 张延军.太原理工大学 2014
[2]50型装载机液压系统动态特性与热平衡研究[D]. 王剑鹏.吉林大学 2011
硕士论文
[1]BMY新能源汽车公司发展战略研究[D]. 韩加泉.山东大学 2017
[2]600匹液压打桩机智能冷却系统的研究[D]. 高海兴.湘潭大学 2017
[3]电动车大功率直流充电系统设计与实现[D]. 韩明.华中科技大学 2017
[4]余杭区塘栖镇10kV线路改造电缆选型研究[D]. 吴凡.华北电力大学(北京) 2017
[5]机载液冷系统仿真研究与管路设计[D]. 陈强.南京航空航天大学 2016
[6]大功率集成电子器件热仿真分析及液冷系统研究[D]. 刘福东.哈尔滨工业大学 2014
[7]电动汽车传导式充电接口关键技术研究[D]. 李志萍.电子科技大学 2014
[8]基于ANSYS的电动汽车车载充电机热分析及优化[D]. 王雄.武汉理工大学 2013
[9]液冷系统中流体流动及换热特性的研究[D]. 刘宁.南京理工大学 2013
[10]小型液冷系统仿真研究[D]. 李国涛.南京航空航天大学 2012
本文编号：3466346
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